Tunable Mpemba Effect in a Prethermal Many-Body Spin Network

Stel je een wereld voor waarin de regels van "terugkeren naar normaal" volledig op hun kop staan. In de natuurkunde is dit het domein van de niet-evenwichtsdynamica, een vakgebied dat bestudeert hoe rommelige, energetische systemen tot rust komen in een kalme, gebalanceerde staat. Normaal gesproken gaan we ervan uit dat als je dichter bij de finishlijn begint, je er ook eerder zult zijn. Maar de natuur houdt van een plotwending. Maak kennis met het Mpemba-effect, een contra-intuïtief fenomeen waarbij een systeem dat verder van evenwicht begint, er zelfs sneller kan zijn dan een systeem dat er dichterbij begon. Denk aan twee hardlopers: de een begint slechts een paar stappen van de finishlijn maar draagt zware, slepende laarzen, terwijl de ander mijlenver weg begint maar sprint met een perfecte vorm. Verrassend genoeg kan de sprinter die ver weg begint, alsnog als eerste de finishlijn passeren. Wetenschappers hebben dit gezien bij zaken als bevriezend water, maar ze hebben er ook naar gezocht in de complexe, drukke wereld van interagerende deeltjes, waar de "hardlopers" constant tegen elkaar aan botsen en de regels van de race veranderen. Het begrijpen hiervan is niet alleen een leuk trucje; het is essentieel om te begrijpen hoe je kwantumsystemen kunt controleren, computerresets kunt versnellen en delicate kwantumsensoren stabiel kunt houden.

Laten we duiken in een nieuw experiment waarbij onderzoekers van UC Berkeley en het Lawrence Berkeley National Laboratory besloten om dit race-spel te spelen met een netwerk van minuscule atomaire magneten binnen een diamant. Ze gebruikten geen water of ijs; ze gebruikten een 13C-kernspinnetwerk—een enorme, ongeordende menigte koolstof-13 atomen die fungeren als kleine tollen die allemaal samen tegen elkaar aan schuren binnen een diamantkristal. Het team ontdekte dat ze deze atomaire tollen konden laten zich gedragen als de Mpemba-hardlopers, en ze konden zelfs precies afstemmen wanneer de "langzame" hardloper de "snelle" zou inhalen.

Zo zetten ze de scène neer. Binnen de diamant zijn er twee soorten "probleemmakers": stikstof-vacature (NV) centra en P1-centra. Dit zijn defecten in het kristal die fungeren als magneten en een chaotisch landschap creëren. Sommige plekken in de diamant zitten vol met deze defecten, wat ze "hot zones" maakt waar de draaiende atomen zeer snel ontspannen (hun energie verliezen). Andere plekken zijn ver verwijderd van de defecten en fungeren als "safe zones" waar de atomen langdurig kunnen blijven draaien zonder moe te worden.

De onderzoekers gebruikten een slim twee-stappen-voorbereidingsspel om hun hardlopers op te stellen. Eerst gebruikten ze licht om de atomen nabij de defecten te "hyperpolariseren", waardoor ze een enorme uitbarsting van energie kregen. Dit is alsof je de hardloper vlak bij de finishlijn belast met zware, slepende laarzen (veel energie, maar op een slechte plek). Daarna hadden ze twee keuzes:

1. Het "Wacht"-spel: Ze konden het systeem een tijdje laten rusten. Tijdens dit wachten zouden de atomen nabij de defecten snel hun energie verliezen (ontspannen), terwijl de atomen in de veilige zones hun energie zouden behouden. Dit verplaatste de "energie" effectief weg van de probleemmakers en naar de veilige zones.
2. Het "Geen Wacht"-spel: Ze konden de wachtfase overslaan en direct de race beginnen. In dit geval bleef de energie geconcentreerd nabij de defecten, waar het gedoemd was snel te verdwijnen.

Het experiment hield in dat de diamant naar een hoog magnetisch veld werd getransporteerd en dat de manier waarop de atomen ontspanden werd geobserveerd met een speciale "Floquet-driving" techniek (een ritmische pulsreeks) die het systeem in een pretherm regime hield. Dit is een speciale staat waarin het systeem langdurig "warm" en actief blijft voordat het uiteindelijk afkoelt naar een totaal evenwicht.

De resultaten waren een duidelijke overwinning voor het Mpemba-effect. Wanneer ze een staat vergeleken die was voorbereid met een lange "hyperpolarisatie"-tijd maar zonder "wacht" (veel energie vastgelopen nabij de snel ontspannende defecten) tegenover een staat die was voorbereid met een lange "wacht"-tijd (minder totale energie, maar veilig opgeborgen in de langzaam ontspannende zones), gebeurde er iets ongelooflijks. De staat met meer energie begon ver van evenwicht, maar omdat deze vastzat in de "hot zones", verloor het zijn energie razendsnel. De staat met minder energie begon dichter bij evenwicht, maar omdat deze zich in de "safe zones" verborg, hield het zijn energie veel langer vast.

De "verder liggende" hardloper haalde de "dichterbij liggende" hardloper in! De onderzoekers observeerden deze Mpemba-crossings op reproduceerbare wijze. Nog cooler nog, ze konden het exacte moment van deze kruising afstemmen. Door de voorbereidingstijden aan te passen, konden ze het kruispunt verschuiven van enkele seconden in het lange, stabiele pretherm plateau, waarbij ze de tijd over meerdere grootheden konden afstemmen.

Om te begrijpen waarom dit gebeurde, voerde het team semiklassieke simulaties uit. Ze ontdekten dat het systeem specifieke "modi" of patronen van ontspanning heeft. Er is een "langzaamste modus" die leeft in de defectarme regio's van de diamant. Als jouw initiële staat (jouw hardloper) veel overlap heeft met deze trage modus, zal deze lang volhouden. Als jouw initiële staat voornamelijk in de defectrijke regio's zit, zal deze snel verdwijnen, ongeacht hoeveel totale energie het begon te hebben. Als de staat voornamelijk in de defectrijke regio's zit, zal deze snel verdwijnen, ongeacht hoeveel totale energie het begon te hebben. Het artikel laat zien dat de kruisingstijd wordt bepaald door de mate waarin je begintoestand overlap heeft met deze trage, veilige modus.

De auteurs bevestigen dat dit niet slechts een toevalstreffer is in hoe ze de gegevens hebben gemeten. Ze controleerden hun resultaten met een strikte wiskundige metriek genaamd de Kullback–Leibler (KL) divergentie, en de kruisingen vonden op hetzelfde moment plaats, wat bewees dat het effect echt is en geen artefact van hun meetmethode.

Kortom, dit artikel demonstreert dat in een ongeordend, interagerend netwerk van spins, wanorde een hulpbron is. Door te begrijpen waar de "veilige zones" en "gevarenzones" zich bevinden, en door de initiële staat zorgvuldig voor te bereiden, kunnen wetenschappers controleren hoe snel een systeem ontspant. Ze lieten zien dat je een situatie kunt creëren waarin een systeem dat eruitziet alsof het de race aan het verliezen is, er eigenlijk een wint, en dat je die overwinningstijd naar believen kunt instellen. Dit werk vormt de eerste observatie van het Mpemba-effect in een uitgebreid many-body spinnetwerk en de eerste experimentele demonstratie van deze dynamica in een pretherm staat, wat een nieuw instrumentarium biedt voor het beheersen van ontspanning in complexe kwantummaterialen.